為破解感知、運動、學習記憶和決策等重要腦功能的運作密碼，科學家一直致力于腦圖譜研究，努力繪制高精度的“大腦地圖”——精確定位神經細胞、解析神經網絡聯接規律，為理解腦功能機制、攻克腦疾病及研發類腦智能提供重要支撐。

近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、華中科技大學、華大生命科學研究院、中國科學技術大學、浙江大學、鄭州大學、中國科學院遺傳與發育生物學研究所、 上海腦科學與類腦研究中心等國內科研機構，聯合多國科學家，借助腦成像、空間轉錄組和人工智能等前沿技術，取得了系列成果，深入解析了大腦細胞類型多樣性、聯接規律、發育進化規律及腦疾病分子機制，實現了在單細胞分辨率下從嚙齒類到靈長類的介觀圖譜繪制的跨越。

▲中國腦圖譜解密大腦的“世界地圖”

01

突破性成果：推動腦圖譜研究

從結構到功能的邁進

研究團隊在腦圖譜研究方面取得系列成果，覆蓋爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，整合了轉錄組、聯接組等多模態數據，進一步擴充了國際腦圖譜在跨物種比較和時空動態解析方面的內涵。

1. 腦圖譜賦能神經環路功能解析。科研人員在神經聯接圖譜繪制技術，感知、意識與記憶等關鍵腦功能的神經環路解析上取得系列成果。

在技術開發方面，基于此前自主研發的超高速同步飛掃三維顯微成像技術（VISoR）技術，開發了blockface-VISoR成像系統，結合優化的全身透明化流程（ARCHmap），實現了40小時內成年小鼠全身均一微米分辨率三維成像，解析了全身不同類型周圍神經的精細結構和單纖維投射路徑，建立了周圍神經聯接圖譜研究的新范式；

率先建立靈長類大腦神經細胞類型特異性標記、神經活性調控及觀測的工具集，突破了傳統轉基因模型的局限性，為深入理解靈長類腦結構、腦認知及未來精準靶向腦疾病治療提供了關鍵技術，標志著靈長類腦科學進入了精準細胞類型研究新階段。

在感知方面，利用病毒示蹤、亞微米分辨連續精準三維成像技術和單細胞重構技術，全面揭示了小鼠脊髓投射神經元與腦內中繼神經元的投射模式及聯接規律，發現其通過“并行-發散-匯聚”模式構建“信息高速公路”，為理解疼痛、瘙癢、觸覺等的感知機制提供全新結構框架。

在意識基礎方面，發現獼猴屏狀核內部在前后軸方向存在廣泛聯系，與小腦外所有皮層和皮層下腦區相連，是大腦的連接中樞，為理解靈長類意識產生的多模態信息整合機制提供了結構基礎。

在認知決策的神經結構基礎方面，利用自主研發的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續精準三維成像技術（LV-fMOST）和大規模單神經元重構系統（Gapr），重構了獼猴前額葉皮層中所有主要皮層的2231個投射神經元，揭示獼猴前額葉皮層存在“精簡高效”神經聯接模式，實現精準、模塊化的信息處理策略，為深入解析靈長類高級認知功能的神經機制提供了基本框架。

2. 腦圖譜賦能腦進化與發育特性解析。科研人員利用亞細胞級空間轉錄組技術（Stereo-seq），在細胞類型及神經聯接的演化上，通過比較進化關鍵節點物種（龜、鳥、小鼠、獼猴等）端腦與小腦細胞圖譜，揭示GABA能神經元在脊椎動物的演化中高度保守，同時發現鳥類小腦特異性地存在與運動功能相關的浦肯野細胞亞型，在時空維度上解析了羊膜動物腦細胞類型的演化軌跡；發現獼猴屏狀核存在4個亞區，不同亞區內存在特定的靈長類特異細胞類型，并與大腦不同的功能腦區相聯接，揭示了屏狀核在進化過程中的重要擴展和特化。

在演化與發育的關系層面上，繪制小鼠腦發育時空基因表達圖譜，為大腦發育研究提供了全面的時空轉錄組資源，并為神經發育的調控機制研究提供了新思路；揭示了哺乳動物下丘腦在模式生成機制和神經元譜系等方面的進化保守性，發現了人類下丘腦神經元在四個方面的進化特征，為理解下丘腦發育、功能、疾病以及演化，奠定了重要的理論基礎；發現靈長類軸突終末覆蓋精準度顯著高于小鼠，具備更高效的空間特異性信息處理能力，顛覆了“腦容量擴大伴隨神經元聯接擴張”的傳統認知。

3. 腦圖譜賦能腦疾病機制解析。利用亞細胞級空間轉錄組技術（Stereo-seq），科研人員首次繪制了正常人及阿爾茨海默病（AD）患者海馬的單細胞分辨率空間轉錄圖譜，發現了病理性小型膠質細胞和星形膠質細胞在海馬傘區域的高度富集及細胞通訊增強，解析了Aβ微環境分子變化，為AD病理研究提供了更精細、系統的分子機制解析，為AD的早期診斷提供了新可能性；首次繪制小鼠腦出血后超急性期至恢復期的時空動態分子圖譜，揭示腦出血損傷與修復進程，闡明了以膠質細胞為代表的多種細胞類型在組織損傷與修復過程中的關鍵作用，為新藥開發和精準治療提供了重要參考。

本次發布的系列成果，以“自主技術迭代”為牽引，推進建立了從“環路解析-進化解密-疾病解碼”的研究體系，有望推動實現從“結構到功能”的質的跨越，為深入解密大腦提供了全新視角與關鍵手段。

02

未來展望：

繪制靈長類介觀腦圖譜

“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃（以下簡稱“腦圖譜大科學計劃”），是科技部重點培育的國際大科學計劃之一。隨著新型成像技術、人工智能等技術的快速發展，當前腦圖譜大科學計劃的研究目標已從小型動物邁進到繪制非人靈長類介觀腦圖譜的關鍵階段，穩步向著繪制人腦介觀圖譜的最高目標邁進。

下一步，腦圖譜大科學計劃將依托腦圖譜研究國際聯盟，持續擴大國際合作，積極拓展與“一帶一路”、“金磚國家”等的交流合作；建立腦圖譜技術共享平臺，推動同步輻射X射線神經示蹤技術、單細胞時空多組學技術、AI算法和系統等新技術研發；整合大腦細胞圖譜、聯接圖譜和不同尺度或分辨率的多模態數據，建立AI輔助的數據采集、分析、解釋和驗證手段，構建面向全球開放共享的“腦圖譜數據庫”，為理解人類大腦奧秘提供關鍵基礎，推動實現“認識腦、模擬腦、保護腦”的宏偉目標。

來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心

責任編輯：曹旸